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Java中的CAS無鎖機制實現(xiàn)原理詳解

更新時間：2024年01月13日 10:10:07 作者：java架構(gòu)師-太陽

這篇文章主要介紹了Java中的CAS無鎖機制實現(xiàn)原理詳解,無鎖機制,是樂觀鎖的一種實現(xiàn),并發(fā)情況下保證對共享變量值更改的原子性,CAS是Java中Unsafe類里面的方法,底層通過調(diào)用C語言接口,再通過cup硬件指令保證原子性,需要的朋友可以參考下

CAS(Compare And Swap) 比較和替換

無鎖機制，是樂觀鎖的一種實現(xiàn)

并發(fā)情況下保證對共享變量值更改的原子性 CAS是Java中Unsafe類里面的方法底層通過調(diào)用C語言接口，再通過cup硬件指令保證原子性

實現(xiàn)算法

三個參數(shù)(V,E,N): V是要更新的變量，E是預(yù)期值，N是新值。當V的值等于E值時，將V的值設(shè)為N，若V值和E值不同，則說明已經(jīng)有其他線程做了更新，當前線程方式自旋重來。

最后，CAS返回當前V的真實值，CAS 一定要volatile變量配合，這樣才能保證每次拿到的變量是主內(nèi)存中最新的那個值

使用樂觀鎖思想，多個線程用CAS操作一個變量時，只有一個成功且成功更新。

失敗的線程不會被掛起，僅是被告知失敗，允許再次嘗試，也允許失敗線程放棄操作。基于這樣的原理，CAS操作即使沒有鎖，也可以發(fā)現(xiàn)其他線程對當前線程的干擾，并進行恰當?shù)奶幚?/p>

與鎖相比，使用CAS會使程序看起來更加復(fù)雜一些，但由于其非阻塞性，對死鎖天生免疫，且線程間的相互影響也遠遠比基于鎖的方式要小，無鎖方式?jīng)]有鎖競爭，也沒有線程間頻繁調(diào)度的開銷。

因此，比基于鎖的方式擁有更優(yōu)越的性能

底層實現(xiàn)

通過硬件保證了比較更新的原子性和可見性，實現(xiàn)方式是基于硬件平臺的匯編指令，大部分的現(xiàn)代處理器都已經(jīng)支持原子化的CAS指令，在JDK 5.0以后，虛擬機便可以使用這個指令來實現(xiàn)并發(fā)操作和并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，CAS是cup的原子指令(cmpxchg)，不會造成數(shù)據(jù)不一致，執(zhí)行cmpxchg指令時，會判斷當前系統(tǒng)是否是多核系統(tǒng)，如果是就給總線加鎖，只會有一個線程給總線加鎖成功，加速成功之后會執(zhí)行cas操作，也就是cas的原子性實際上是cup實現(xiàn)的，比起synchronized，排他時間很短，多線程下性能高

優(yōu)點

(1) 高并發(fā)的情況下，比有鎖的程序擁有更好的性能，是輕量級鎖

(2) 它天生就是死鎖免疫的

(3) 線程不會阻塞(線程阻塞到喚醒運行成本較高)，一直處于用戶態(tài)

缺點

(1) 若一直獲取不到鎖死循環(huán)，消耗cup資源，可能導(dǎo)致cup飆高(需要控制次數(shù)) 　　

(2) ABA問題：若內(nèi)存地址V初次讀取的值是A，在CAS等待期間它的值曾經(jīng)被改成了B，后來又被改回為A，那CAS操作就會誤認為它從來沒有被改變過。解決辦法，加版本號屬性，每次值變化了給版本號加1,。ABA的問題對結(jié)果沒有影響，只會和CAS概念沖突了

(3) 不能保證代碼塊的原子性：CAS只保證一個變量的原子性，若更新多變量同時原子性要用synchronized

適用場景

CAS 適合簡單對象的操作，比如布爾值、整型值等；

典型的使用場景有兩個

(1) J.U.C里面Atomic的原子實現(xiàn)，比如AtomicInteger，AtomicLong。

(2) 實現(xiàn)多線程對共享資源競爭的互斥性質(zhì)，比如在AQS/ConcurrentHashMap/ConcurrentLinkedQueue等

通常和自旋鎖同時使用

代碼示例

有一個成員變量state，默認值是0，定義了一個方法doSomething()，判斷state是否為0 ，如果為0，就修改成1。

這個邏輯在多線程環(huán)境下，會存在原子性的問題，因為這里是一個典型的，Read - Write的操作。

一般會在doSomething()這個方法上加同步鎖來解決原子性問題，但加同步鎖，會帶來性能上的損耗，

public class Example {
    private int state = 0;
    public void doSomething() {
        if (state == 0) {
            state = 1;
        }
    }
}

使用CAS機制來進行優(yōu)化

調(diào)用Unsafe類的objectFieldOffset()傳入類的變量得到變量在內(nèi)存中的偏移量

調(diào)用Unsafe類的compareAndSwapInt()方法進行更新，傳入四個參數(shù)：當前對象實例/變量在內(nèi)存地址中的偏移量/預(yù)期值/更新值

比較變量內(nèi)存地址偏移量對應(yīng)的值和傳入的預(yù)期值是否相等，若相等，修改內(nèi)存地址中變量的值為要更新的值，否則，返回false

compareAndSwap()是native方法，底層實現(xiàn)中，在多核CPU環(huán)境下，會增加一個Lock指令對緩存或總線加鎖，從而保證比較并替換這兩個指令的原子性。

這里注意變量要加volatile

public class Example {
    
    private volatile int state = 0;
    private static final Unsafe UNSAFE = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long stateOffset;

    static {
        try {
            stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(Example.class.getDeclaredField("state"));
        } catch (Exception ex){
            throw new Error(ex);
        }
    }

    public void doSomething() {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 0 ,1)) {
            // TODO
        }
    }

    public int getState() {
        return state;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Example example = new Example();
    example.doSomething();
    System.out.println(example.getState());
}

測試的時候會報錯會在這行代碼 Unsafe.getUnsafe();

Caused by: java.lang.SecurityException: Unsafe
   at sun.misc.Unsafe.getUnsafe(Unsafe.java:90)
   at com.test.Example.<clinit>(Example.java:7)
   ... 1 more

查看Unsafe.getUnsafe()源碼

@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
        throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
        return theUnsafe;
    }
}

如果不是systemClassLoader則會拋出SecurityException(“Unsafe”)異常，所以用戶編寫的程序使用不了unsafe實例。

怎么解決ABA問題,加一個版本號單線程情況下

public static void main(String[] args) {

    Book javaBook = new Book(1,"javaBook");

    // 參數(shù)1是版本號
    AtomicStampedReference<Book> stampedReference = new AtomicStampedReference<>(javaBook,1);

    System.out.println(stampedReference.getReference() + "\t" + stampedReference.getStamp());

    Book mysqlBook = new Book(2,"mysqlBook");

    boolean b;
    // 在判斷的時候不斷要判斷book,還要判斷版本號,更新的時候更新book的值,也要更新版本號(這里是加1)
    b = stampedReference.compareAndSet(javaBook, mysqlBook, stampedReference.getStamp(), stampedReference.getStamp() + 1);

    System.out.println(b + "\t" + stampedReference.getReference() + "\t" + stampedReference.getStamp());

    b = stampedReference.compareAndSet(mysqlBook, javaBook, stampedReference.getStamp(), stampedReference.getStamp() + 1);

    System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());

}

對線程情亂下

public class ABADemo {
    static AtomicStampedReference<Integer> stampedReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            int stamp = stampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "首次版本號：" + stamp);
            // 暫停500毫秒,保證后面的t4線程初始化拿到的版本號和我一樣
            try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            // 從100改到101
            stampedReference.compareAndSet(100,101,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"2次流水號："+stampedReference.getStamp());
            // 從101改到100
            stampedReference.compareAndSet(101,100,stampedReference.getStamp(),stampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"3次流水號："+stampedReference.getStamp());
        },"t3").start();
        new Thread(() -> {
            int stamp = stampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "\t" + "首次版本號：" + stamp);
            // 暫停1秒鐘線程,等待上面的t3線程，發(fā)生了ABA問題
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            boolean b = stampedReference.compareAndSet(100, 2022, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(b+"\t"+stampedReference.getReference()+"\t"+stampedReference.getStamp());
        },"t4").start();
    }
}

到此這篇關(guān)于Java中的CAS無鎖機制實現(xiàn)原理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)CAS無鎖機制原理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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